3.5 计算机网络之介质访问控制（静态划分信道、FDM、TDM、STDM、WDM、CDM）、（动态划分信道、ALOHA、CSMA、CSMA/CD、CSMA/CA）、令牌传递协议

---

1.思维导图

2.传输数据的两种链路

2.什么是介质访问控制？它有几种方法？

• 介质访问控制(medium access control)简称MAC。 是解决共用信道的使用产生竞争时，如何分配信道的使用权问题。
• 常见的介质访问控制有下图所示几种方法：
  

3.静态划分信道–信道划分介质访问控制

• 简单了解一下相关概念
  
• 信道划分的实质就是通过分时、分频、分码等方法把原来的一条广播信道，逻辑上分为几条用于两个结点之间通信的互不干扰的子信道，实际上就是把广播信道转变为点对点信道。
• 信道划分介质访问控制有一下4种方法：
  

（1）频分多路复用 FDM

• 频分多路复用（Frequency-division multiplexing，FDM），是指载波带宽被划分为多种不同频带的子信道，每个子信道可以并行传送一路信号的一种多路复用技术。
  

（2）时分多路复用 TDM

• 时分多路复用（Time-Division Multiplexing，TDM）一种数字或者模拟（较罕见）的多路复用技术。使用这种技术，两个以上的信号或数据流可以同时在一条通信线路上传输，其表现为同一通信信道的子信道。但在物理上来看，信号还是轮流占用物理信道的。
  
• 如果说TDM中，A\B\C\D四个用户，有三个用户没传输数据，则造成了信道利用率不高，于是引入了另一种方法来解决这种问题，提高信道利用率。
• 这种方法交是统计时分复用STDM
• 统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing）是一种根据用户实际需要动态分配线路资源的时分复用方法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，当用户暂停发送数据时，不给他分配线路资源，线路的传输能力可以被其他用户使用。采用统计时分复用时，每个用户的数据传输速率可以高于平均速率，最高可达到线路总的传输能力。
  
• 这里我们假设线路传输速率为8000b/s
• 采用TDM，则4个用户的平均速率为2000b/s
• 采用STDM，则每个用户的最高速率可达8000b/s。

（3）波分多路复用 WDM

• 波分复用技术（wavelength-division multiplexing, WDM）
  

（4）码分多路复用 CDM

• 码分多路复用是采用不同的编码来区分各路原始信号的一-种复用方式。与FDM和TDM不同,它既共享信道的频率，又共享时间。下面举一个 直观的例子来理解码分复用，如下图所示。

• 假设 A 站要向 C 站运输黄豆， B 站要向 C 站运输绿豆， A 与 C 、 B 与 C 之间有一条公共的道路，可以类比为广播信道。
• 在频分复用方式下，公共道路被划分为两个车道，分别提供给 A 到 C 的车和 B 到 C 的车行走，两类车可以同时行走，但只分到了公共车道的一半，因此频分复用（波分复用也一样）共享时间而不共享空间。
• 在时分复用方式下，先让 A 到 C 的车走一趟，再让 B 到 C 的车走一趟，两类车交替地占用公共车道。公共车道没有划分，因此两车共享了空间，但不共享时间。
• 码分复用与另外两种信道划分方式大为不同，在码分复用情况下，黄豆与绿豆放在同一辆车上运送，到达 C 后，由 C 站负责把车上的黄豆和绿豆分开。
• 因此，黄豆和绿豆的运送，在码分复用的情况下，既共享了空间，也共享了时间。

---

• 码分多址（ code oivision Multiple Access , CDMA ）是码分复用的一种方式，其原理是每比特时间被分成 m 个更短的时间槽，称为码片（ ChiP ) ，通常情况下每比特有 64 或 128 个码片。每个站点被指定一个唯一的 m 位代码或码片序列。
• 发送 1时，站点发送mbit码片序列；发送0 时，站点发送mbit码片序列的反码。
• 当两个或多个站点同时发送时，各路数据在信道中线性相加。
• 为从信道中分离出各路信号，要求各个站点的码片序列相互正交。
  
• 简单理解就是， A 站向 C 站发出的信号用一个向量来表示， B 站向 C 站发出的信号用另一个向量来表示，两个向量要求相互正交。向量中的分量，就是所谓的码片。
• 举个例子计算加深理解：
• 假如站点 A 的码片序列被指定为 000 110 11 ，则 A 站发送 000 110 11 就表示发送比特 1 ，发送111 001 00 就表示发送比特 0 。
• 按惯例将码片序列中的 0 写为-l ，将 1 写为＋ l , A 站的码片序列就是-l - l -l + l + l -l + l + l。
• 令向量 S 表示 A 站的码片向量，令 T 表示 B 站的码片向量。
• 两个不同站的码片序列正交，且向量 S 和 T 的规格化内积为(S*T)/8= 0 ,所以令向量 T 为- l - l + l -1 + l + l + l - 1。
• S和T具有以下运算性质：
  
  
• 当 A 站向 C 站发送数据 l 时，就发送了向量 -l ,-l ,-l ,+l,+l,-l,+l,+l。
• 当 B 站向 C 站发送数据 0 时，就发送 T 向量+l, +l, -1 ,+1, -l ,-l ,-l ,+1
• 两个向量到了公共信道上就进行叠加，实际上就是线性相加，得到 S + T = ( 0 0 -2 2 0 -2 0 2 )
• 到达 C 站后，进行数据分离。如果要得到来自 A 站的数据，那么就让 S 与 S + T 进行规格化内积，得到 S·( S +T ) = l 所以 A 站发出的数据是 1 。
• 同理，如果要得到来自 B 站的数据，那么 T . ( S + T ) ＝- 1 因此从 B 站发送过来的信号向量是一个反码向量，代表 0 。

什么是规格化内积：就是内积结果再除以向量的维数，如向量s（1，2，3）点乘向量t（7，8，9）的规格化内积为（1*7+2*8+3*9）/ 3 = 50 / 3

• 再举两个个例子：
  
  
• 图片引用：https://blog.csdn.net/qq_34902437/article/details/91353221

4.动态分配信道

• 特点：信道并非在用户通信时固定分配给用户

（1）随机访问介质访问控制

• 在随机访问协议中，不采用集中控制方式解决发送信息的次序问题，所有用户能根据自己的意愿随机地发送信息，占用信道全部速率。
• 在总线形网络中，当有两个或多个用户同时发送信息时，就会产生帧的冲突（碰撞，即前面所说的相互干扰），导致所有冲突用户的发送均以失败告终。
• 为了解决随机接入发生的碰撞，每个用户需要按照一定的规则反复地重传它的帧，直到该帧无碰撞地通过。这些规则就是随机访问介质访问控制协议，常用的协议有ALOHA 协议、 CSMA 协议、 CSM 刀 CD 协议和 CSM 刀 CA 协议等，它们的核心思想都是：胜利者通过争用获得信道，从而获得信息的发送权。因此，随机访问介质访问控制协议又称争用型协议。
• 如果介质访问控制采用信道划分机制，那么结点之间的通信要么共享空间，要么共享时间，要么两者都共享：而如果采用随机访问控制机制，那么各结点之间的通信就可既不共享时间，也不共享空间。所以随机介质访问控制实质上是一种将·广播信道转化为点到点信道·的行为。

1️⃣ ALOHA协议

• ALOHA协议是由美国夏威夷大学开发的一种网络协议。处于OSI模型中的数据链路层。它属于随机存取协议（Random Access Protocol）中的一种。它分为纯ALOHA协议和分段ALOHA协议（或时隙ALOHA协议）。

① 纯ALOHA协议

② 时隙ALOHA协议

• 对比纯ALOHA和时隙ALOHA
  

2️⃣ CSMA协议

• 全称Carrier Sense Multiple Access (CSMA)，是一种允许多个设备在同一信道发送信号的协议，其中的设备监听其它设备是否忙碌，只有在线路空闲时才发送。
  

① 1-坚持 CSMA

② 非坚持CSMA

③ p-坚持CSMA

三种CSMA对比总结

3️⃣ CSMA/CD协议

• 简介：
  

① 传播时延对载波监听的影响

② 截断二进制指数规避算法确定碰撞后的重传时机

• 一道例题感受一下
  

③ 最小帧长问题

4️⃣ CSMA/CA协议

① 为什么使用CSMA/CA协议？

• 虽然CSMA/CD协议已成功地应用于有线连接的局域网，但无线局域网不能简单地搬用CSMA/CD协议。其主要原因是：
• 第一，CSMA/CD协议要求一个站点在发送本站数据的同时还必须不间断地检测信道，以便发现是否有其他的站也在发送数据，这样才能实现“冲突检测”的功能。但在无线局域网的设备中要实现这种功能花费过大。
• 第二，更重要的是，即使能够实现冲突检测的功能，且在发送数据报时检测到信道是空闲的，但是，由于无线电波能够向所有的方向传播，且其传播距离受限，在接收端仍然有可能发生冲突，从而产生隐藏站问题和暴露站问题。
• 此外，无线信道还由于传输条件特殊，造成信号强度的动态范围非常大。这就使发送站无法使用冲突检测的方法来确定是否发生了碰撞。
• 因此，无线局域网不能使用CSMA/CD协议，而是以此为基础，制定出更适合无线网络共享信道的载波监听多路访问/冲突避免CSMA/CA协议。CSMA/CA协议利用ACK信号来避免冲突的发生，也就是说，只有当客户端收到网络上返回的ACK信号后，才确认送出的数据已经正确到达目的 。

② CSMA/CA工作原理

CSMA/CA与CSMA/CD比较

（2）轮询访问介质访问控制

• 轮训访问控制的产生
  
• 轮询访问控制的特点：在轮询访问中，用户不能随机地发送信息，而要通过一个集中控制的监控站，以循环方式轮询每个结点，再决定信道的分配。当某结点使用信道时，其他结点都不能使用信道。
• 这里我们只讨论两类：轮询协议与令牌传递协议

1️⃣ 轮询协议

• 轮询协议要求节点中有一个被指定为主节点，其余节点是从属节点。

• 主节点以循环的方式轮询每一个从属节点，“邀请”从属节点发送数据（实际上是向从属节点发送一个报文，告诉从属节点可以发送帧以及可以传输帧的最大数量），只有被主节点“邀请”的从节点可以发送数据，没有被“邀请”的节点不能发送，只能等待被轮询。
  

• 从主节点向从节点发送的报文信息可以看出，如果一个节点要发送的数据很多，它不会一直发送到结束，它发送到最大数据帧就是结束，主节点开始轮询下一个节点，等再次轮询到它时才能继续发送。即如果从节点要发送的数据很多时，它不是一次性发送结束的。

2️⃣ 令牌传递协议

• 令牌传递又称“标记传送”，局部网数据送取的一种控制方法，多用于环形网。
• 令牌由专用的信息块组成，典型的令牌由连续的8位“1”组成。当网络所有节点都空闲时，令牌就从一个节点传送到下一个节点。当某一节点要求发送信息时，它必须获得令牌并在发送之前把它从网络上取走。一旦传送完数据，就把令牌转送给下一个节点，每个节点都具备有发送/接收令牌的装置。使用这种传送方法决不会发生碰撞，这是因为在某一瞬间只有一个节点有可能传送数据。最大的问题是令牌在传送过程中丢失或受到破坏，从而使节点找不到令牌从而无法传送信息。
• TCU：环接口干线耦合器。它的主要作用是传递经过的所有帧，为接入站发送和接收数据提供接口。它的状态有两种：收听状态和发送状态。
• 没有人使用令牌时，令牌则在环路中循环。
  
  
  
  参考：
• https://www.bilibili.com/video/av70228743?p=30
• 百度百科